基于扩展故障树的通用机床电控故障诊断专家系统研究

２０１５年７月　第４３卷第１５期　机床与液压　

ＭＡＣＨＩＮＥ　ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ　Ｊｕ１．２０１５　

Ｖｏ１．４３　Ｎｏ．１５　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１５．１５．０４８　

基于扩展故障树的通用机床电控故障诊断专家系统研究　

张乐平　

（江西理工大学软件学院，江西南昌３３００１３）　

摘要：提出了基于故障树分析、融合电气图查询等经典手段的通用机床电控故障诊断专家系统方法，设计了可视化、　可扩展与可完善的自动诊断系统。结果表明：该系统实现了维修方法及维修记录的智能化、数字化和系统化及通用机床电　

控系统的简化维修、节约维修和高效维修。　关键词：扩展故障树；融合；机床电控；专家系统；智能化、数字化和系统化　中图分类号：ＴＰ２７７　文献标志码：Ａ　文章编号：１００１—３８８１（２０１５）１５—１９０—４　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｆ　Ｆａｕｌｔ　Ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　Ｅｘｐｅｒｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ｉｎ　

Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｌａｔｈｅｓ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ　Ｆａｕｌｔ－ｔｒｅｅ　

ＺＨＡＮＧ　Ｌｅｐｉｎｇ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｓｏｆｔｗａｒｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｊｉａｎｇｘｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ　Ｊｉａｎｇｘｉ　３３００１　３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｎ　ｆａｕｌｔ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｅｘｐｅ￣ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｉｎ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｌａｔｈｅｓ　ｗａｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ａｕｇｍｅｎｔｅｄ　ＦＴＡ　ａｎｄ　ｆｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｌａｓｓｉｃ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｉｎｑｕｉｒｅｄ　ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗａｓ　ｄｅ。　ｓｉｇｎｅｄ　ｔｈａｔ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｖｉｓｕａｌｉｚｅｄ，ｅｘｐａｎｄｅｄ　ａｎｄ　ｐｅｒｆｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｉｔ　Ｃ８１１　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ，ｄｉｓｔａｌ　ａｎｄ　ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ａｎｄ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ｒｅｃｏｒｄ，ｔｈｅ　ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ，ｓａｖｉｎｇ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ａｎｄ　ｈｉ　ｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　

ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｍａｃｈｉｎｅ　ｔｏｏｌｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ　ｆａｕｌｔ　ｔｒｅｅ；Ｆｕｓｉｎｇ；Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｆｏｒ　ｇｅｎｅｒａｌ　ｌａｔｈｅｓ；Ｅｘｐｅ￣ｓｙｓｔｅｍ；Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ，ｄｉｇｉｔａｌ　ａｎｄ　

ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃ　

０前言　

通用机床包括车床、铣床、刨床、磨床、镗床　

等，种类繁多，电气控制设备各异，目前广泛应用继　

电接触器控制系统。在电控设备中，由各种电器元件　

构成的电器控制系统是重要的组成部分，它们结构复　

杂，控制性能各异。而电器控制系统的复杂化导致出　

现故障的可能性增加，也导致诊断定位决策的难度增　

加。因此，如何对电器控制系统实现故障快速定位显　

得尤其重要　。　

故障树是由美国贝尔电话实验室的Ｈ　Ａ　Ｗａｌｓｏｎ　

首先提出，它是一种系统可靠性分析方法。利用故障　

树来构建诊断系统知识库，不仅可以方便推理机构寻　

找潜在故障或进行故障诊断，而且可以进一步预测未　

来系统故障发生的概率　。　

１　目前存在的问题　

通用机床适应于单件小批生产，应用非常广泛。　

其电控故障的诊断与维修现状比较复杂，目前存在的　

主要问题表现在：　（１）高效、精确地完成故障排查的秘诀在于：　

确定含有故障的部分电路，并且找出故障元件　。电　

气图是工程技术人员交流的语言，也是判别故障源的　

一个根本依据。如果只是基于故障树的故障诊断，其　

搜索结果仅表示可能的故障原因。故障树和电气图等　

技术资料间较少联系，最终确诊往往不方便。　

（２）维修资料、维修档案与记录大多仍采用纸　

介存储。文件的完好程度受企业技术管理水平影响，　

调阅和归纳整理不便，利用效率不高。　

（３）从业人员较多，专业知识和技术水平差异较　

大，目前大多仍采用人为的传统方法。因而其维修方　

法、维修效率受技术人员人为因素影响较大。　

综上所述，研究一个融合传统的故障诊断、维修　

技术与故障树于一体的专家系统，通过故障树快速地　

查找故障发生的原因，同时可选择依据数字化的相关　

技术图纸进行确认和完善，将维修档案记录在相应数　

据单元中，实现传统维修的智能化和数字化、节约维　

修和高效维修，具有广泛的现实意义。　

收稿日期：２０１４－０６－０４　基金项目：２０１２江西省普通本科高校中青年教师发展计划访问学者资助项目　作者简介：张乐平（１９６９一），男，硕士，副教授，主要研究方向为自动化、信息与信号处理。Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｌｅｐｉｎｇ５６７８９＠　１６３．ｃｏｎ。

　第１５期　张乐平：基于扩展故障树的通用机床电控故障诊断专家系统研究　・１９１・　

２基于故障树的通用机床电控故障诊断专家系统　

２．１专家系统总体框架　

基于故障树的通用机床电控故障诊断专家系统的　

总体结构如图１所示，主要包括综合数据库、知识获　

取管理机构、人机交互界面、解释模块、诊断推理模　

块和维修日志管理模块等。其中，综合数据库中的故　

障树和诊断推理模块为整个专家系统的核心。　

Ｉ　操作人员ｌ　ｌ　维修专家　ｔ　ｔ　

人机交互界面　

陲修日志数据　知识获取管理机构　

，　ｆ诊断结果　——－｛系统解释机｛匈ｌ　综合数据库　

识库（故障树）ｌ　断推理模块｝●　

电气图　ｒ　ｐ　日　ｌ　：　维修记录　

图Ｉ　基于故障树的通用机床电控故障诊断专家系统结构　

２．２专家系统知识库核心——故障树　

２．２．１　电气故障诊断知识表示方法　

知识库的建立是专家系统建立的中心任务，其目　

的在于通过知识的有效表示使专家系统利用这些知识　

进行正确的推理和做出正确的决策，较快解决用户提　

出的问题。　

该系统将故障按照机床型号类别进行分类，然后　

再按照部件系统划分为主电路系统、控制电路系统和　

辅助与信号电路系统，每个分系统建立其对应的故障　

树，这样可以保证故障诊断仅在一个或几个知识链表　

中进行，从而减少推理时的搜索范围，加快系统推理　

速度。而且在产生式规则库中，由于各规则之间相互　独立，这有利于知识库的修改和扩充…。系统知识表　

示基本框架如图２所示，图中以上海第五机床厂生产　

的Ｚ３０４０ｘ　１６型摇臂钻床控制电路系统故障为例　。　系统选择　故障树　

通　

主　择　主电路系统　

控制电路系统　

助与信号电路　主轴电机控制　

冷却泵电机控制　

摇臂升降与夹紧　

柱、主轴箱的夹紧与松　

图２系统知识表示基本框架　２．２．２建立电控故障诊断故障树　

以上述摇臂钻床控制电路系统故障为顶部事件建　

立故障树，如图３所示。因篇幅限制，该处仅列出其　

“摇臂升降与夹紧故障”所对应的分支。　

刁　ｏ　图３　Ｚ３０４０￣１６型摇臂钻床控制电路故障树　故障树中，各故障序号对应的故障事件如表１所　

表１故障树明细表　

序号　事件名称　序号　事件名称　

摇臂升降电机正反转反复运转不停　

控制电路故障　Ｍ　。　扳动十字开关，运动方向相反　

Ｅ：。　主轴电机控制故障　限位开关卡阻　

Ｅ：：　冷却泵电机控制故障　Ｘ　：　摇臂向上（下）或主轴ＫＭ互锁触头接触不良　层：　摇臂升降与夹紧故障　。，　摇臂向上（下）ＫＭ线圈烧毁　

Ｅ　立柱、主轴箱的夹紧与松开故障　鼓形组合开关的触头接触不良　ｘ　鼓形组合开关过早分断　．　

帆　摇臂无向上（或向下）动作　Ｘ。　鼓形组合开关动触头相对位置调节太近　

．１ｌｆ　摇臂升降到位后，无夹紧动作　进线电源相序不正确　

Ｍ　摇臂不能充分夹紧　

该专家系统设计时，除上述Ｚ３０４０￣１６型摇臂钻　

床外，通过调研通用机床使用型号和类别的广泛性和　典型性，分别选用Ｃ６５０—２卧式车床、Ｍ７４７５Ｂ立轴圆　

台平面磨床、ＸＡ６１３２型万能升降台铣床、Ｔ６８卧式　・１９２・　机床与液压　第４３卷　

镗床建立分系统（主电路、控制电路、辅助与信号　

电路）故障树　］，作为专家系统的基本知识。　

２．３综合数据库——故障树的扩展　

综合数据库采用ＳＱＬ实现，主要包括故障树知　

识库、电气图和维修记录三部分，其基本数据库结构　如图４所示，图中虚线框表示扩展的功能、虚线连接　

表示可选。首先分解每一棵故障树，抽象出每一节点　

的相关信息，连同节点的父节点和子节点，组成一系　

列故障记录，然后将分解结果保存在数据库中每一个　

节点信息对应数据表中一条记录，而每一个故障树流　

程图对应数据库中的一张表，如此就可完成基于故障　

树的知识表示　。其故障树知识由机床电控系统表、　

故障事件表、故障树信息表、特征参数表和维修信息　

表组成。　

ｉ　电气图表　维修日志表　：机触故障事件ＩＤ：　通用机床ＩＤ：　电　Ｄ　Ｔ．ｆ　……　诊　尊果　

特征参数表　Ｉ　ｊ　

一　特征参数范围Ｊ　一　

维修信息表　

故障事件ＩＤ　维修方法　通用机床ＩＤ　电控故障系统ＩＤ　

故障事件表　通用机床ＩＤ　故障事件ＩＤ　故障树信息表　

故障树ＩＤ　故障事件ＩＤ　

图４专家系统数据库结构　综合数据库的扩展包括两个方面：一方面是通过　

人机交互界面对设备类型和故障事件等进行扩展、修　

改和完善，最终形成一个对应于本单位通用机床具体　

型号、类别和具体使用环境的完整系统，实现设备维　

护的系统化，该功能主要通过故障树的编辑实现；二　

是对故障诊断功能的扩展：主要包括电气图和维修档　

案的扩展。　

２．３．１电气图的扩展　

本研究强调故障诊断专家系统的故障树知识与经　

典的电路分析方法相互印证，故障源的具体安装位置　

快速确认，为此扩展了电气图表。该表通过ＩＤ与设　

备单元、故障事件链接。其内容包括：　

（１）通用机床设备型号单元，对应该型号设备　

电控系统的电路图、接线图和互联图等技术信息；　

（２）各电控分系统对应该系统的电路图、接线　

图及相关互联图；　

（３）中间事件对应单元电路（局部电路）、接线　

图（对应部分用虚线标出）；　

（４）部分底事件对应接线图（对应部分用虚线　标出）或互联图。　２．３．２强化维修知识及维修档案的扩展　

为实现传统维修技术的高效融合，在故障树知识　

中分别设置了特征参数表和维修信息表。特征参数表　

给出了某些检验单元所对应的参数类型、正常参数范　

围等信息；维修信息表则给出了相应的维修建议和维　

修方法。　

维修日志表则用于故障维修记录的数字化与档案　

化。包括机床名称型号、故障、诊断维修结果及时间　

等信息。　

３基于最小割集重要度的推理机实现　

系统根据输入的故障征兆自动寻找匹配的顶事件　

且生成顶事件故障树并按Ｆｕｓｓｅｌｌ算法求出最小割集；　

按照重要度大的最小割集优先检测的原则生成测试流　

程　。因其推理过程与常用故障树无异，在此不再赘